摘要：智能溫室是近年逐步發(fā)展起來(lái)的一種資源節(jié)約型高效農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)大多以單片機(jī)、通用計(jì)算機(jī)作為溫室系統(tǒng)處理器，由于基于單因子和成本問(wèn)題，其智能化和效率有待提高。在此通過(guò)對(duì)目前智能溫室控制器的分析研究，提出并設(shè)計(jì)了一款16位的的單總線(xiàn)專(zhuān)用CPU，且專(zhuān)門(mén)針對(duì)于智能溫室測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算器和n個(gè)Comparray比較器，并使用VHDL語(yǔ)言在QuartusⅡ6．0中進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。所以，該CPU不但具有通用CPU的基本特性，而且更具有在農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)領(lǐng)域的特殊性。
關(guān)鍵詞：測(cè)控系統(tǒng)；專(zhuān)用CPU；Comparvay比較器；VHDL語(yǔ)言

溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的工作原理就是根據(jù)溫室內(nèi)外裝設(shè)的各種傳感設(shè)備采集或監(jiān)測(cè)信息，然后傳遞給處理設(shè)備進(jìn)行分析與處理后，控制其執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)溫室的環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，以達(dá)到為作物的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造最佳環(huán)境條件的目的。

1 目前智能溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)控制器分析
由于處理器核心技術(shù)的不斷進(jìn)步，溫室控制系統(tǒng)處理器的處理能力也在飛速發(fā)展，種類(lèi)也在不斷增多。資料顯示，目前的溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，在核心處理器的選擇上，主要采用以下幾種：
(1)工業(yè)控制機(jī)
在這種溫室控制系統(tǒng)中其核心處理器是以工業(yè)控制機(jī)為中心的。其余2個(gè)模塊：一個(gè)主要由用于環(huán)境因子采集的各類(lèi)傳感器組成；另一個(gè)模塊主要由各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是多輸入和多輸出閉環(huán)控制，所以硬件的開(kāi)發(fā)量比較小，軟件組態(tài)方面也比較方便，市場(chǎng)很容就能夠買(mǎi)到所需要的硬件及軟件。工業(yè)控制機(jī)的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，因此很容易實(shí)現(xiàn)溫室的群控和網(wǎng)絡(luò)化。其缺點(diǎn)是：一方面是成本較高，因?yàn)楣I(yè)控制機(jī)及相應(yīng)的組態(tài)軟件都需要購(gòu)買(mǎi)；另一方面是集中控制，如果核心的工控機(jī)發(fā)生了故障，那么將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行遭到破壞。而且在這種以工控機(jī)做為控制器的結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)行系統(tǒng)的布線(xiàn)時(shí)由于多入多出結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，線(xiàn)路鋪設(shè)相當(dāng)復(fù)雜，如果出現(xiàn)了問(wèn)題在維護(hù)起來(lái)也十分不方便。
(2)單片機(jī)
在這種控制系統(tǒng)中其性能的好壞主要由所選用的單片機(jī)所決定。其主要特點(diǎn)是單片能夠?qū)θ汁h(huán)境進(jìn)行控制和管理，對(duì)使用者的素質(zhì)要求不是很高，操作起來(lái)也十分容易，而且投資成本較低。但是在系統(tǒng)搭建時(shí)其線(xiàn)路的鋪設(shè)十分復(fù)雜，出現(xiàn)故障的幾率也是相當(dāng)?shù)母撸虼讼到y(tǒng)的可靠性必然受到影響；一般還是通過(guò)模擬量或開(kāi)關(guān)量進(jìn)行信號(hào)的輸入、輸出，自動(dòng)化程度比較低。
(3)可編程邏輯控制器
可編程邏輯控制器是一種通用的自動(dòng)控制裝置。這種裝置的主要特點(diǎn)就是將傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等融為一體。運(yùn)算能力方面能夠進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算。其控制能力方面相對(duì)較強(qiáng)，對(duì)于溫室環(huán)境系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期連續(xù)的工作和高效率的控制需求；在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，因此可靠性比較高；在操作方面，比較靈活，而且操作方法比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是不能獨(dú)立進(jìn)行控制需要和上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)合，因此在資金投入方面很大，普通的農(nóng)業(yè)用戶(hù)在經(jīng)濟(jì)能力上無(wú)法承受。
(4)嵌入式控制器
嵌入式控制器是由通用CPU演化而來(lái)的，隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。再加上其“專(zhuān)用”的特點(diǎn)，在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用在日趨增多。

2 專(zhuān)用CPU的設(shè)計(jì)
雖然微處理器的技術(shù)在飛速的發(fā)展，處理能力也在不斷的增強(qiáng)，從4、8、16、32至64位，但通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，16位的微處理器經(jīng)歷了這么多年的發(fā)展之后，生命力依然十分旺盛，在市場(chǎng)上具有相當(dāng)高的占有率。與從16位機(jī)迅速的向32位、64位過(guò)渡的通用的計(jì)算機(jī)相比，16位微控制器從誕生至今，雖歷經(jīng)了從單片微型計(jì)算機(jī)到微控制器、微控制器到SoC的變遷，但在嵌入式領(lǐng)域16位機(jī)依然是中低端應(yīng)用的一種主要機(jī)型，而且在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，這個(gè)勢(shì)頭仍然會(huì)持續(xù)下去。因?yàn)檫@是由嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完全不同的應(yīng)用特性決定的，所以其技術(shù)發(fā)展道路走向是完全不同的。根據(jù)智能溫室測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，在最大限度地滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的采集、控制、可靠性和低功耗等品質(zhì)的要求下，16位機(jī)具有很強(qiáng)的速度潛力，因此本所設(shè)計(jì)的專(zhuān)用CPU為16為CPU。作為智能溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的專(zhuān)用CPU，一方面它和通用的CPU相比具有很多的共同特性，另一方面具有它在農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)領(lǐng)域的特殊性。
2．1 專(zhuān)用CPU的組成結(jié)構(gòu)
圖1是一個(gè)16位的采用了RISC思想的單總線(xiàn)CISC CPU處理器結(jié)構(gòu)。

此CPU單獨(dú)設(shè)置了一個(gè)8段的流水FLOAT(浮點(diǎn)型運(yùn)算器)、一個(gè)ALU(定點(diǎn)運(yùn)算器)、一個(gè)PcCount(程序計(jì)算器)、一個(gè)InstrReg(指令寄存器)一個(gè)Shift(移位運(yùn)算器)、一個(gè)ComP(單比較器)、一個(gè)Compn(比較器組、n為可擴(kuò)充)、一個(gè)Controller(控制單元)、一個(gè)AddrReg(地址寄存器)和八個(gè)．Reg0…Reg7(16位寄存器組)，它們共用一組16位的三態(tài)數(shù)據(jù)總線(xiàn)。其工作流程和通用CPU相同，不同的專(zhuān)用寄存器保存指定的內(nèi)容，指令的執(zhí)行分順序和轉(zhuǎn)移兩種方式。
該結(jié)構(gòu)中有專(zhuān)門(mén)針對(duì)于智能溫室測(cè)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算器和n個(gè)Comparray比較器。一方面由于本智能溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的一個(gè)很重要的功能就是硬件實(shí)現(xiàn)智能控制方法，同時(shí)運(yùn)算模塊主要對(duì)由采集模塊所采集的環(huán)境因子進(jìn)行比較分析和處理，而所采集數(shù)據(jù)通常是浮點(diǎn)數(shù)，所以本文在CPU的運(yùn)算單元中增加了單獨(dú)的浮點(diǎn)運(yùn)算器；另一方面因?yàn)樵谥悄軠厥覝y(cè)控系統(tǒng)中要隨時(shí)對(duì)溫度、濕度、CO2濃度等數(shù)據(jù)與作物生長(zhǎng)的最佳值比較，如果數(shù)值超越了警戒線(xiàn)，就要采取措施。為了提高處理速度，方便比較，該結(jié)構(gòu)中放置了比較器組，會(huì)把最常用的值在不同的比較器中固化，不但節(jié)省了取操作數(shù)的環(huán)節(jié)，而且也節(jié)省了時(shí)間。